地源热泵与焦炉煤气基CCHP深度耦合的联供系统

Combined Supply System with Deep Coupling of C-GSHP and COG-CCHP

摘要

为了充分利用冷热电多能联供(CCHP)子系统的余热，提高能源的利用效率，并与我国的能源现状相适应，将级联地源热泵与焦炉煤气基CCHP进行深度耦合，提出了一种新型的多能联供系统.基于Aspen Plus平台，对该系统进行了模拟运行、热力学分析和关键参数的灵敏度分析.结果表明：系统的一次能源利用效率和 效率分别达到95.12%和35.12%，高于常规系统的83.80%和31.80%.压缩机、循环泵的 效率较高，换热器的 效率相对较低. 损失主要发生在燃烧室和烟水换热器，分别占整个系统总 损失的48.7%和29.9%.当其他参数值一定时，采暖循环水中间温度和上级循环压缩机出口压力与级联热泵循环子系统的功耗呈正相关，蒸发器压力与级联热泵循环子系统的功耗近似呈负相关.

Abstract

A novel multi-energy combined supply system was proposed by deep coupling a cascade ground source heat pump （C-GSHP） system and a coke oven gas-based combined cooling， heating and power （COG-CCHP）， so as to maximize the utilization of waste heat from the CCHP subsystem， enhance energy utilization efficiency， and adjust to China’s current energy landscape. Based on the Aspen Plus platform， the simulation operation， thermodynamic analysis， and sensitivity analysis of the system’s important parameters were completed. The results indicate that the system’s primary energy utilization efficiency and exergy efficiency are 95.12% and 35.12%， respectively， greater than the traditional system’s 83.80% and 31.80%. The exergy efficiency of compressors and circulating pumps is relatively high， while that of heat exchangers is relatively low. The exergy loss mainly occurs in the combustion chamber and the steam-water heat exchanger， accounting for 48.7% and 29.9% of the total exergy loss of the entire system， respectively. When other parameter values are fixed， the intermediate temperature of the heating circulating water and the outlet pressure of the upper-level circulating compressor are positively correlated with the power consumption of the cascade heat pump circulation subsystem， while the evaporator pressure is approximately negatively correlated with the power consumption of the cascade heat pump circulation subsystem.

Graphical abstract

关键词

级联地源热泵 / 焦炉煤气基CCHP / 运行性能 / 地热

Key words

cascade ground source heat pump / coke oven gas based CCHP / operational performance / geothermal energy

随着社会的高速发展，人类面临严重的能源危机和环境污染问题，节能增效依旧是当代的主题^［1］.冷热电多能联供（CCHP）是一种分布式的新型能源系统，既能实现能量的梯级利用，又能降低能量的输送损失和减少投资，有很好的发展前景^［2-4］.传统的CCHP系统以天然气为燃料，天然气具有清洁环保、热值高、输运方便等优点，但与我国能源利用的现状不匹配，在国内大规模建设以天然气为燃料的CCHP系统并不现实，寻求天然气的可替代燃料是当前迫切的需要.焦炉煤气是炼焦过程中产生的副产品，国内不仅产量大，而且具有价格优势^［5-6］.已有研究表明，焦炉煤气可替代天然气作为CCHP系统的燃料^［7-8］.

将CCHP与其他可再生能源耦合可进一步提高系统的经济性和环境友好性^［9-14］.地热是一种安全可靠的可再生能源，地热的利用主要依靠地源热泵，许多学者对CCHP与地源热泵的耦合开展了研究.Kang等^［15］用地源热泵替代电制冷机组和锅炉构建了一种新型的CCHP系统，并对其运行策略进行了优化研究.Lu等^［16］基于双层模型建立了耦合地热能的热电联产系统，与传统热电联供系统相比，年总运行成本降低了36.2%.Li等^［17］利用TRNSYS（瞬时系统）平台将CCHP与太阳能与地源热泵相耦合，讨论了不同运行策略下系统的性能.Liu等^［18］将地源热泵及热能存储系统与CCHP系统相耦合，探讨了内燃机容量对经济和环境成本的影响.Ma等^［19］将地源热泵技术与耦合太阳能发电的CCHP系统相结合，通过敏感性分析，揭示了不同条件下效益的变化规律.但在这些研究中，仅是将地源热泵与传统CCHP系统机械地并联在一起，同时提供相同温度的高温热水，因而热泵系统的性能较差，传统CCHP系统的余热也没有实现最佳利用.为了进一步提高能源效率，Li等^［20］改进了地源热泵与传统CCHP系统的耦合方式，提出了串联深度耦合的方法，不仅提高了热泵的性能参数（COP），也充分利用了传统CCHP系统的余热.此外，地源热泵除了单级循环热泵外，近几年还出现了级联循环热泵，与单级循环相比，级联循环的压缩比更小，每级压缩的压缩效率更高，因而性能更优^［21］，但目前与CCHP系统耦合的研究大多采用单级循环热泵，而级联循环热泵与CCHP系统耦合的研究还不多见.

综上所述，为了充分利用CCHP系统的余热，进一步提高能源的利用效率，并与我国的能源现状相匹配，本文提出了一种新型的多能联供系统.该系统不仅采用了Li等^［20］提出的地源热泵与CCHP系统的新耦合方式，而且将地源热泵由单级循环改为级联循环，同时将CCHP系统的燃料由天然气替换为焦炉煤气.然后基于Aspen Plus软件，对该系统进行了模拟运行和热力学分析.首先以一次能源综合利用效率和 效率为衡量指标对提出的多能联供系统在设计工况下的运行情况进行了评估，并与常规系统进行了对比.随后研究了采暖水中间温度、上级循环压缩机、下级循环压缩机的出口压力和蒸发器压力等因素对级联循环热泵子系统性能的影响.

1 系统流程和运行模拟

1.1 系统流程

本文提出的双级循环地源热泵与焦炉煤气基CCHP深度耦合的多能联供系统如图1所示.该系统由3个子系统组成，分别为焦炉煤气基CCHP子系统、级联循环热泵子系统^［21］和地热获取子系统.级联循环热泵子系统通过换热器1与焦炉煤气基CCHP子系统发生耦合，地热获取子系统通过蒸发器与级联循环热泵子系统发生耦合.在运行时，焦炉煤气基CCHP子系统中的空气和焦炉煤气分别经空气压缩机和煤气压缩机加压后同步进入燃烧室燃烧，形成高温高压烟气，推动燃气轮机膨胀做功，成为低温低压烟气，然后经分流器1被分为两部分，一部分进入LiBr吸收式制冷机组获得冷能，另一部分进入烟水热交换器（换热器1）加热来自采暖循环的中温水，最后这两部分烟气经烟囱排入大气.对于级联循环热泵子系统，冷媒进入冷凝器冷凝成液体后，经分流器2被分为两部分（标记为L1和L2），L1进入节流阀1（一级节流阀）膨胀，L2直接进入换热器2（中间换热器）与节流阀1膨胀后的制冷剂L1进行换热后进入节流阀2（二级节流阀2），随后进入蒸发器与采热工质流体进行换热，蒸发成气体后被LP（低压）压缩机压缩后再与L2混合，后经HP（高压）压缩机压缩为高温高压蒸汽，经换热器1冷凝为液体，从而完成1个循环.在地热获取子系统中，采热工质在循环泵2的驱动下，从地热井中获得热量，然后经蒸发器将能量传递给级联循环热泵子系统中的冷媒.为了比较，本文给出了单级循环热泵与天然气基CCHP并联的常规多能联供系统，如图2所示.从常规多能联供系统可以看出，该系统由3个子系统组成，分别为天然气基CCHP子系统、单级循环热泵子系统和地热获取子系统.压缩空气和天然气燃烧推动燃气轮机做功后的低温低压烟气和地源热泵彼此独立地制取热水，二者并行运行，此外地源热泵子系统采用的是单级压缩，也无高温换热器（换热器1，以增强系统的耦合性）这一设备.

1.2 运行模拟

基于Aspen Plus平台对图1所示的系统进行模拟时，作出如下假设：1） 系统运行处于稳定状态；2） 系统内管路和设备（膨胀阀除外）的压降忽略不计；3） 热泵的冷媒在冷凝器出口处为饱和液体，在蒸发器出口处为饱和蒸汽；4） 压缩机和循环水泵都处于绝热状态；5） 忽略系统内燃气的动能和势能.系统建模所采用的单元操作模块如表1所示.采用焦炉煤气的成分（体积分数）为：22.15%的CH₄，52.12%的H₂，2.85%的C₂H₄，5.83%的CO，3.80%的CO₂，0.6%的O₂，余量为N₂，低位热值为15.963 MJ/m³.地热获取子系统使用的工质是水和乙醇的混合物，其中乙醇的质量分数为31%.物性计算方法采用PR-BM.设计工况下系统的关键操作参数如表2所示.在设计工况下，焦炉煤气的输入量为8 588 m³/h，可为用户提供热负荷为12 720 kW，电负荷为10 212 kW，冷负荷为13 290 kW.

2 评估指标

2.1 一次能源综合利用效率

一次能源综合利用效率是建立在热力学第一定律基础上的，定义为系统输出的总能量与系统一次能源的总输入量之比^{［14，19］}，如式（1）所示：

\eta =\frac{E+N+Q-H}{Q_{\mathrm{G}}}.(1)

式中：η是系统的一次能源综合利用效率；E是系统的发电量，kW；N是系统的制冷量，kW；Q是系统的制热量，kW；H是系统的功耗总量，kW；Q_G是系统一次能源（焦炉煤气或天然气）的总输入量，kW.

Q_{\mathrm{G}}=m_{\mathrm{G}}\times \mathrm{L}\mathrm{H}\mathrm{V}.(2)

式中：m_G是系统输入焦炉煤气（或天然气）的质量流量，kg/s；\mathrm{L}\mathrm{H}\mathrm{V}是焦炉煤气（或天然气）的低位热值，MJ/kg.

2.2 效率和 损失

分析是基于热力学第二定律，物质流的 由物理 、化学 、动能 和势能 4部分组成^［22-23］，表示为

\mathrm{E}\mathrm{x}=\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}+\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{p}\mathrm{h}}+\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{k}\mathrm{i}}+\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{p}\mathrm{o}}.(3)

式中：Ex_ch，Ex_ph，Ex_ki和Ex_po分别是物质流的化学 、物理 、动能 和势能 ，kW.

由于稳定状态下的物质流动能 和势能 相比化学 和物理 很小，因此在本研究中被忽略不计.故系统内除燃料外的物质流的 （物理 ）可表示为

\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{p}\mathrm{h}}=m\times [h_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-h_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{0}}(s_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-s_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}})].(4)

式中：m为质量流率，kg/s；h_in，h_out分别为进出口比焓，kJ/kg；s_in，s_out分别为进出口的比熵，kJ/（kg^-1·K^-1）.

燃料（焦炉煤气或天然气）的物理 相较化学 很小，因此在本研究中被忽略不计，其化学 可表示为

\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}=m_{\mathrm{G}}\times \mathrm{L}\mathrm{H}\mathrm{V}=Q{}_{\mathrm{G}}{}^{}.(5)

系统的 效率由式（6）计算得到：

\lambda =\frac{\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{P},\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}}{\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{G}}}.(6)

式中：Ex_P，tot为系统输出的全部产品 （冷、热和电），kW；Ex_G为系统输入焦炉煤气（或天然气）的 ，kW.

系统或设备的 损失可表示为

\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{d}}=\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-\mathrm{E}{\mathrm{x}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}.(7)

式中：Ex_d是系统或设备在不可逆过程中产生的 损失，kW；Ex_in是系统或设备的输入 ，kW；Ex_out是系统或设备的输出 ，kW.

3 运行结果及分析

3.1 性能评估

在保持一次能源输入负荷（38 080 kW）和系统供冷负荷（13 290 kW）不变的情况下，分别对提出的新型多能联供系统（图1）和常规多能联供系统（图2）进行了模拟运行，结果如表3所示.

从表3可以看出，消耗相同的一次能源负荷（焦炉煤气或天然气），系统可提供的总能量是不同的，新系统比常规系统可多提供热负荷3 340 kW，多提供电负荷970 kW.新系统的一次能源综合利用效率为95.12%，而常规系统的一次能源综合利用效率仅为83.80%；新系统的 效率为35.12%，而常规系统的 效率为31.80%.由此可见，新系统比常规系统更节能、更高效，具有更好的应用前景.

3.2 效和 损分析

为了深入了解新多能联供系统在能量转换过程中的热力学完善程度，对系统中的主要设备进行了 效率计算和 损失分析.图3示出了新型多能联供系统中主要设备的 效率.从图中可以看出，压缩机、泵和燃气轮机的 效率较高，而换热装置的 效率相对较低，其中空气压缩机和燃气轮机的 效率高达93.2%和92.9%，而换热器则小于20%.图4示出了新型多能联供系统中主要设备的 损失占比.从图中可以看出，天然气压缩机、循环水泵的 损失占比很小，对系统的总 损贡献很小.燃烧室的 损失占比很大，占到了系统总 损的48.7%，其原因是燃料燃烧，由化学能转化为热能时，存在巨大的不可逆热损失.另外换热器1（烟水换热器）的 损失也占有较大比例，达到了29.9%，这是由于换热器中的烟气与冷水之间存在很大的温差. 损失大、 效率较低的设备意味着其能量转换的热力学完善程度较低，需要给予更多的关注.

3.3 关键操作参数对热泵子系统的灵敏度分析

在新多能联供系统中，地热的获取主要依靠级联循环热泵子系统，因此级联循环热泵子系统的性能对整个系统的运行有重要影响.通过敏感性分析，可获得关键操作参数对热泵子系统性能的影响规律，并为整个系统的运行优化提供重要的参考依据.

根据系统的集成原则，采暖水中间温度（t_M，图1中的状态点13）、上级循环压缩机（图1中的HP）出口压力（p_H）、下级循环压缩机（图1中的LP）的出口压力（p_M）和蒸发器压力（p_E）对热泵子系统的运行有重要影响，因此需要着重研究.p_H，p_M和p_E的变化主要是对热泵子系统的功耗E_GSHP造成影响，而t_M的改变不仅影响热泵子系统的功耗，而且还会对采热工质流量和热泵冷媒流量等参数造成影响.

图5和图6分别示出了当t_M由30 ℃升高到45 ℃时，采热工质流量m_C和热泵冷媒流量m_F的变化情况.从图中可以看出，随着t_M的升高，采热工质流量m_C和热泵冷媒流量m_F均需增大才能满足需求.当t_M为30 ℃时，所需采热工质流量m_C和热泵冷媒流量m_F分别为105.22和24.00 kg/s，而当t_M升高到45 ℃时，其值分别升高为169.30和95.93 kg/s.这是因为随着t_M的升高，热泵系统需要提供更多的热量才能满足需求.研究中还发现，在焦炉煤气供给量和供热负荷不变情况下，随着t_M的升高，系统的制冷量随之增大，当t_M由30 ℃升高到45 ℃时，系统的制冷量将由11 289 kW升高到15 320 kW.这是由于在该条件下，升高采暖水所需的烟气显热减少，从而有更多的热量来驱动LiBr制冷机来制取冷能.

图7分别示出了t_M，p_H，p_M和p_E这4个操作参数变化对热泵子系统功耗W_GSHP的影响（改变其中的一个参数，而其他参数保持在设计工况下不变）.从图7a和7d中可以看出，当其他参数值一定时，除了上级循环压缩机出口压力p_H增加导致热泵循环子系统的功耗线性增大外，采暖水中间温度t_M与热泵循环子系统的功耗也近似成正比关系.这是由于，采暖水中间温度t_M的升高，将导致热泵冷媒的循环量增大，这必然引起冷媒循环泵功耗的增加.从图7b中可以看出，蒸发器压力p_E与热泵循环子系统的功耗近似成负相关，随着p_M的增加，热泵循环子系统的功耗则相应减少.这是由于此时的上级循环压缩机出口压力p_H保持不变，随着蒸发器压力p_E的增加，上级循环压缩机出口压力p_H与蒸发器压力p_E的压差必然减小，从而引起循环压缩机的功耗减小.从图7c中可以看出，随着下级循环压缩机的出口压力p_M的增加，热泵循环子系统的功耗减少，但当p_M值增大到522 kPa后，功耗不再显著减小，热泵循环子系统的功耗几乎不再变化.这是由于随着下级循环压缩机的出口压力p_M的增加，上级循环压缩机（HP）的压缩比减小，这正是级联循环热泵节能的原因，但p_M值不能无限增大，随着该值的增大，下级循环压缩机（LP）压缩比也将增大，级联循环的优势必将削弱.

4 结 论

1） 提出的新型多能联供系统的一次能源利用效率和 效率分别达到了95.12%和35.12%，高于常规系统的83.80%和31.80%，比常规系统更节能、更高效，具有很好的应用前景.

2） 压缩机、循环泵和燃气轮机的 效率较高，换热装置的 效率相对较低. 损失主要发生在燃烧室和烟水换热器，分别占整个系统总 损失的48.7%和29.9%，应当给予足够的关注.

3） 随着采暖循环水中间温度的升高，需同时增大采热工质流量和级联热泵冷媒流量才能满足需求，这也会引起级联热泵子系统功耗的增加.

4） 当其他参数值一定时，采暖循环水中间温度和上级循环压缩机出口压力与级联热泵循环子系统的功耗呈正相关，蒸发器压力与级联热泵循环子系统的功耗近似呈负相关.

5） 随着下级循环压缩机的出口压力的增大，级联热泵循环子系统的功耗减少，但当压力增大到一定值后，功耗不再显著减小.

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB3701302)